La stampa 3D in metallo verso la produzione di massa

Articolo pubblicato su L'Industria Meccanica n. 717.

La stampa 3D in metallo diventa più rapida, più economica, di maggiore qualità e, soprattutto, compatibile con la produzione di massa. Questo è quanto potrà osservare chi si recherà il prossimo novembre a Francoforte per toccare con mano le tante novità che saranno esposte a Formnext, la principale fiera europea dedicata al 3D Printing e all'additive manufacturing.

Una delle postazioni principali della fiera sarà lo stand di Hp, che proporrà in anteprima ai visitatori europei la sua nuovissima piattaforma Metal Jet: un sistema che per molti versi può essere definito rivoluzionario, e che consente la produzione di componenti metallici di alta qualità in volumi elevati.

Secondo Hp, la nuova piattaforma di stampa 3D consente ai clienti «di ripensare completamente il modo in cui progettano, producono e offrono nuove soluzioni nell'era digitale».

«Siamo nel mezzo di una rivoluzione industriale digitale che sta trasformando un settore manifatturiero del valore di 12 mila miliardi di dollari», ha detto Dion Weisler, presidente e Ceo di Hp. «Abbiamo già contribuito a realizzare questa trasformazione introducendo la produzione in 3D di componenti in plastica su scala industriale. Ora ci stiamo spingendo oltre, con una tecnologia per la stampa 3D di materiali metallici».

Il target di Hp è chiaro: la multinazionale statunitense punta ai settori automotive, industriale e medicale, settori in cui ogni anno vengono prodotte miliardi di parti metalliche.

Come funziona la nuova tecnologia

HP Metal Jet è una nuova tecnologia binder jetting a livello di voxel (il corrispondente 3D del pixel). Con una dimensione del letto di stampa di 430 x 320 x 200 mm, una ridondanza degli ugelli 4 volte superiore rispetto alle altre soluzioni di tipo binder jetting, il doppio delle barre di stampa e un utilizzo del legante significativamente inferiore in rapporto al peso, si prevede una maggiore produttività e affidabilità a costi di acquisizione e operativi inferiori rispetto ad altre soluzioni di stampa 3D per materiali metallici.

Come ha spiegato Tim Weber, global head del Metal 3D Printing Business di Hp, alla base di tutto c'è l'esperienza accumulata dall'azienda in decenni di innovazione del comparto della stampa ink-jet prima, e nella stampa plastica 3D poi – in particolare, nei settori della progettazione di ugelli e testine di stampa, e dell'hardware/software di pilotaggio delle stesse. È quest'esperienza che ha permesso di realizzare una macchina che, secondo Hp, «è circa 50 volte più produttiva delle macchine concorrenti, sia di tipo binder-jetting che laser». La tecnologia usata è in effetti di tipo binder jetting, e funziona mediante la stesura di uno strato di polveri, seguita dalla deposizione a jet delle sostanze di binding (in quantità – fanno sapere dall'azienda – molto inferiore a quella usata di solito), e successivamente dall'asciugatura/finalizzazione dello strato e, alla fine del processo, dal passaggio in fornace per la solidificazione definitiva.

Verso la produzione di massa, ecco i numeri

Rispetto alle altre macchine, la maggiore produttività è ottenuta non tanto grazie a una maggiore velocità, quanto piuttosto grazie alla maggiore efficienza data da un volume stampabile di ben 430x320x200mm, oltre che dalle maggiori dimensioni della testina di stampa (che copre tutta la superficie di stampa in un unico passaggio) e dal maggior numero di ugelli ridondanti che consentono una maggiore affidabilità di stampa.

La seconda caratteristica che spinge queste macchine verso l'uso nella produzione di massa è l'economicità, sia di acquisto che di esercizio, e l'azienda tiene a precisare che il sistema utilizza polveri metalliche standard. Nel primo periodo, in particolare, Hp ha deciso di concentrarsi sull'acciaio inossidabile.

La terza caratteristica infine è la qualità delle parti prodotte, che esibiscono superfici con Ra da 4-7 micron e Rz di 25-40 micron, rispettano i requisiti degli standard Astm e Iso, e hanno ottimi comportamenti ai test di resistenza, con un comportamento isotropico dal punto di vista della microstruttura.

Tutte queste caratteristiche insieme dovrebbero portare i costi di produzione a essere direttamente competitivi con tecnologie low-cost come il Mim (metal injection moulding), oltre che con la stampa laser.

A titolo di esempio, un pezzo in metallo destinato a essere integrato in un motore costa tra gli 1,6 e i 2,1 dollari se realizzato in tecnologia Mim e 40-50 dollari se stampato al laser.

Chi l'ha già installata

Le macchine HP Metal Jet saranno disponibili sul mercato solo nel 2020, in quantità limitata e su prenotazione (nella ristretta lista dei primi Paesi ci sarà l'Italia). Già oggi però alcune unità sono state installate presso due partner di alto livello: Gkn, produttore di parti per l'industria automotive, e Parmatech, fornitore per il mercato healthcare (e, tra parentesi, detentore del primo brevetto per il Metal Injection Molding, una consolidata tecnologia di produzione additiva di parti da polveri metallliche).

Entrambe le aziende si aspettano di produrre con questa tecnologia, già a partire dal 2019, milioni di parti metalliche per il loro clienti. «Siamo all'inizio di un'entusiasmante nuova era da cui non potremo tornare indietro: il futuro della produzione di massa con la stampa 3D», ha commentato Peter Oberparleiter, Ceo di Gkn Powder Metallurgy.

Volkswagen e Wilo già coinvolte

Gkn Powder Metallurgy sta sfruttando la tecnologia Hp Metal Jet per produrre parti industriali a costi contenuti con un'efficienza idraulica superiore per Wilo, azienda che opera nel settore delle pompe e delle soluzioni per sistemi di pompaggio. Wilo è interessata alla tecnologia per la produzione di parti idrauliche iniziali come giranti, diffusori e corpi pompa con dimensioni ampiamente variabili, che devono sopportare intense fluttuazioni di aspirazione, pressione e temperatura.

Anche Volkswagen sta integrando la piattaforma nella propria roadmap a lungo termine per la progettazione e la produzione. La collaborazione tra Volkswagen, Gkn Powder Metallurgy e Hp consentirà di valutare la produzione di massa di pezzi personalizzabili, come portachiavi individualizzati e targhette. Il piano pluriennale di Volksvagen per l'utilizzo della piattaforma di Hp include anche la produzione di parti funzionali ad alte prestazioni con requisiti strutturali significativi, come manopole per il cambio e supporti per specchietti. Con l'ingresso di nuove piattaforme, come i veicoli elettrici nella produzione di massa, troverà ancora più applicazioni, come l'alleggerimento di parti di metallo completamente certificate per la sicurezza.

«L'industria automobilistica sta vivendo una rivoluzione: non solo i clienti ora si aspettano la personalizzazione, ma entro il 2025 i marchi del gruppo Volkswagen prevedono di introdurre 80 nuovi modelli elettrici», ha affermato Martin Goede, responsabile della progettazione e dello sviluppo tecnologico di Volkswagen. «Una singola automobile comprende da 6.000 a 8.000 parti differenti. Uno dei grandi vantaggi di una tecnologia additiva come questa è che ci permette di produrre molte di queste parti senza dover prima costruire attrezzature per la lavorazione. Riducendo il tempo dei cicli per la produzione dei componenti, possiamo realizzare molto rapidamente una produzione di massa con volumi elevati».

Un'idea interessante per consentire agli end user di proporre rapidamente nuovi progetti di componenti 3D e produrre parti finali in volumi elevati, è il progetto di proporre già dal 2019 un servizio di stampa 3D on demand realizzato proprio insieme a Gnk e Parmatech: Hp si occuperà di ricevere e validare tecnicamente gli ordini da parte di terzi, mentre i partner si occuperanno materialmente della produzione, dalla creazione del preventivo, alla stampa del prototipo e alla successiva messa in produzione del lotto.